单光子计数.pptx

(1)学习光子计数技术的基本实验方法；(2)通过实验了解光子计数方法和弱光检测中的一些特殊问题实验原理1.光子流量和光流强度光子流量和光流强度光是由光子组成的光子流，单个光子的能量与光波频率的关系是(1)光子流量可用单位时间内通过的光子数R表示，光流强度是单位时间内通过的光能量，用光功率P表示单色光的光功率P与光子流量R的关系是：(2)如果光源发出的是波长为630nm的近单色光，可以计算出这种光子的能量光功率为10-16w时，这种近单色光的光子流量当光流强度小于10-16w时通常称为弱光，此时可见光的光子流量可降到1ms内不到1个光子，因此实验中要完成的将是对单个光子进行检测，进而得出弱光的光流强度，这就是单光子计数2光电倍增管输出的信号波形光电倍增管输出的信号波形如图1(a)所示，光阴极上发射出的光电子，经聚焦和加速打到第一倍增极上，将在第一倍增极上“打出”几倍于入射电子数目的二次电子这些二次电子被加速后打到第二倍增极上，接连经过几个或十几个倍增极的增殖作用后，电子数目最高可增到 最后由阳极收集所有的电子，在阳极回路中形成一个电脉冲信号如图1(b)所示，脉冲宽度 与光电倍增管的时间特性以及阳极回路的时间常数 有关在非弱光测量中，由于光子流量较大，测得的光电倍增管输出信号为连续信号见图2（a）而在测量弱光时，光子流量很小，相邻两光子间的时间间隔可达毫秒量级，阳极回路中输出的是一个个离散的尖脉冲()，见图2(b)图3是由示波器观察到的放大后的光电倍增管输出信号波形，图中横坐标为时间当光强降到w左右时，尽管光信号可以是由一连续发光的光源发出的，而光电倍增管输出的电信号却是一个一个分离的尖脉冲，光子流量与这些脉冲的平均计数率成正比只要用计数的方法测出单位时间内的光电子脉冲数，就相当于检测了光的强度3单光电子峰单光电子峰将光电倍增管的阳极输出脉冲接到脉冲高度记录仪器，例如多道分析器，作脉冲高度分布分析(PHA)，可以得到如图4所示的分布光阴极发射的电子(包括光电子和热发射电子)所形成的各脉冲的幅度近于一致，造成图中的“单光电子峰”形成这种分布的原因是：(1)光阴极发射的电子，包括光电干和热发射电子，都受到了所有倍增电极的增殖，因此它们的幅度大致接近(2)各倍增极的热发射电子经受倍增的次数要比光阴极发射的电子经受的少因此前者4光子计数器的组成光子计数器的组成 光子计数器的原理方框图如图4所示，各部分功能和主要要求如下：（1）光电倍增管用于光子计数的光电倍增管必须具有适合于实验中工作波段光谱响应，要有适当的阴极面积，量子效率高，暗计效率低，时间响应快，并且光阴极稳定性高（2）放大器放大器的作用是将光电倍增管阳极回路输出的光电子脉冲（连同其他噪声脉冲)线性放大(3)脉冲高度甄别器脉冲高度甄别器有连续可调的阈电平，称甄别电子只有当输入脉冲的幅度大于甄别电子时，甄别器才输出个有一定幅度和形状的标准脉冲在用于光子计数时可以将甄别电平调节到图4中单光电产峰的下限处(4)计数器计数器(或称定标器)的作用是将甄别器输出的脉冲累计起来并予以显示 5 5光子计数器的曝声和信噪比光子计数器的曝声和信噪比 光子计数器的噪声来源主要为光子发射的统汁涨落光阴极和倍增极的热电子发射和脉冲堆积效应等(1)统计涨落噪声就热光源来说在发光时各原于是相互独立的，相继的两个光子打到光阴极上的时间间隔是随机的按照统计规律在一定的时间间隔t内发出的光子数服从泊松分布(2)暗计数噪声由于光电倍增管的光阴极和各倍增极有热电子发射即使入射光强为零时，还有暗计数，电称本底计数光子计数器可以采用扣除本底计数的工作方式，即在两个相等的时间间隔t内，分别测量本底计数Nd和信号与本底的总计数Nt，设信号计数为Ns，则 为光阴极量子效率，为无光照时测得的计数率，即暗计数率测量结果的信噪比SNR为(3)脉冲堆积效应噪声分析光子计数器的噪声和计数误差时，除上述几个重要因外还应考虑脉冲堆积效应这是计数率较高时的主要误差来源实验装置图6为光子计数系统实验装置示意图实验内容(1)观察暗计数率与光电倍增管的工作电压及工作温度的关系(2)确定光电倍增管最佳工作电压(3)确定光子计数器的线性动态范围(4)研究测量时间间隔t与信噪比SNR的关系(5)研究白炽光源的光电子脉冲计数的统计特性(6)研究光电倍增管脉冲堆积效应对测量结果的影响(叙述从略)图1图2图3（a）光流强度约W，光电子信号是在直流电平上叠加闪烁噪声(b)光电流强度约W，直流电平减小，脉冲重叠减少但仍存在基线起伏(c)光流强度约W，基线开始固定，重叠脉冲极少(d)光电流强度约W，脉冲无重叠，基线趋于平直图4图61.光源；2.暗盒；3.入射光阑；4.光阑筒；5.光电倍增管；6.放大器与甄别器；7.计数器；8.高压电源；9.记录仪；10.半导体致冷电源；11.半导体冷却管罩